第6章CVD化学气相淀积
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化学气相淀积
加热方式：
❖ 电阻直接加热（热壁式和冷壁式） ❖ 电感加热或高能辐射灯加热（多为冷壁式）
常用的几种CVD系统
APCVD系统（Atmospheric Pressure CVD）
❖ 操作简单；较高的淀积速率；适于介质薄膜淀积； ❖ 易发生气相反应，产生颗粒污染；台阶覆盖性和均匀性较差；一
般是质量输运控制，需精确控制各处的反应剂浓度均匀； ❖ 水平式反应系统；连续式淀积系统。
LPCVD系统（Low Pressure CVD）
❖ 污染小；均匀性和台阶覆盖性较好；一般是表面反应控制，精确控 制温度比较容易；
❖ 气缺现象；较低的淀积速率；较高的淀积温度； ❖ 立式淀积系统；管式淀积系统。
PECVD系统（Plasma Enhanced CVD）
❖ 相对最低的淀积温度，最高的淀积速率；淀积的薄膜具 有良好的附着性、低针孔密度、良好的阶梯覆盖、良好 的电学特性、可以与精细图形转移工艺兼容；
X=0
X=L
U
y
? (x) x
dx
L
Grove模型
❖ F1=hg(Cg-Cs) ❖ F2=ksCs ❖ Cs=Cg/(1+ks/hg)
G F kshg Cg N1 ks hg N1
气体
薄膜
Cg Cs
❖ Ks<< hg时，表面反应控制： G= (Cg ks ) /N1
hg << Ks时，质量输运控制： G= (Cg hg ) /N1
§6.2 化学气相淀积系统
CVD系统通常包括： ❖ 气态源或液态源 ❖气体输入管道 ❖气体流量控制 ❖反应室 ❖ 基座加热及控制系统（其他激活方式） ❖ 温度控制及测量系统 ❖ 减压系统（可选）
CVD的气体源
❖ 电阻直接加热（热壁式和冷壁式） ❖ 电感加热或高能辐射灯加热（多为冷壁式）
常用的几种CVD系统
APCVD系统（Atmospheric Pressure CVD）
❖ 操作简单；较高的淀积速率；适于介质薄膜淀积； ❖ 易发生气相反应，产生颗粒污染；台阶覆盖性和均匀性较差；一
般是质量输运控制，需精确控制各处的反应剂浓度均匀； ❖ 水平式反应系统；连续式淀积系统。
LPCVD系统（Low Pressure CVD）
❖ 污染小；均匀性和台阶覆盖性较好；一般是表面反应控制，精确控 制温度比较容易；
❖ 气缺现象；较低的淀积速率；较高的淀积温度； ❖ 立式淀积系统；管式淀积系统。
PECVD系统（Plasma Enhanced CVD）
❖ 相对最低的淀积温度，最高的淀积速率；淀积的薄膜具 有良好的附着性、低针孔密度、良好的阶梯覆盖、良好 的电学特性、可以与精细图形转移工艺兼容；
X=0
X=L
U
y
? (x) x
dx
L
Grove模型
❖ F1=hg(Cg-Cs) ❖ F2=ksCs ❖ Cs=Cg/(1+ks/hg)
G F kshg Cg N1 ks hg N1
气体
薄膜
Cg Cs
❖ Ks<< hg时，表面反应控制： G= (Cg ks ) /N1
hg << Ks时，质量输运控制： G= (Cg hg ) /N1
§6.2 化学气相淀积系统
CVD系统通常包括： ❖ 气态源或液态源 ❖气体输入管道 ❖气体流量控制 ❖反应室 ❖ 基座加热及控制系统（其他激活方式） ❖ 温度控制及测量系统 ❖ 减压系统（可选）
CVD的气体源
硅工艺第6章_化学气相淀积习题参考答案
高温情况下hg << ks ，淀积速率 由气相质量输运速率决定； 低温情况下hg >> ks ，淀积速率受表面反应速率控制。
2 列举化学气相淀积技术的三种分类方法。
答：1）按淀积温度分：低温淀积、中温淀积； 2）按反应室内部压力分：常压淀积、低压淀积； 3）按反应室器壁温度分：冷壁式淀积、热壁式淀积； 4）按淀积反应的激活方式分：光激活、等离子体激活 等。
硅烷和氧反应
三大系统均可、氮
SiH4(气) +O2 (气)
气稀释、氧过量、 硅片加热至
SiO2(固) +2H2 (气) 250~450℃
淀积速率与温度、 氧气含量关系；需 致密化。
硅烷和N2O反应 SiH4(气) +2N2O (气)
SiO2 (固) +2N2 (气) + 2H2 (气)
PECVD系统、氩气 稀释、反应温度 200~400 ℃
Si(OC2H5)4 SiO2 + 4C2H4 + 2H2S与臭氧混合 源的SiO2淀积
LPCVD 管状热壁
反应室，淀积温度 675~695 ℃，淀积 速率25nm/min， 足够的氧气。
淀积速率与温度、 TEOS分压的关系；
保形性好。
APCVD
淀积速率显著提高； 具有非常好的保形 性，可有效填充沟 槽及金属间隙
3 简述APCVD、LPCVD、PECVD的特点。
答：
1） APCVD特点
操作简单、淀积速度较高、适合介质薄膜的淀积；易发 生气相反应，产生微粒污染，台阶覆盖性和均匀性较差； 一般由hg控制，需精确控制单位时间到达硅片表面各处 的反应剂数量，保证薄膜的均匀性。
2）LPCVD特点
(s)第六章+化学气相淀积
6.4 CVD二氧化硅
6.4.3 CVD掺杂SiO2 1. PSG 工艺：原位掺杂PH3； 组分：P2O5 和 SiO2； 磷硅玻璃回流（ P-glass flow ）工艺：PSG受热变软易 流动，可提供一平滑的表面，也称高温平坦化 （100-1100℃）。(好处:提高后续淀积的台阶覆盖) 2. BPSG（硼磷硅玻璃） 工艺：原位掺杂PH3 、B2H6； 组分：B2O3-P2O5-SiO2； 回流平坦化温度：850 ℃；
6.4 CVD二氧化硅
6.4.2 台阶覆盖 保形覆盖：所有图形上淀积的薄膜 厚度相同；也称共性 conformal）覆盖。 覆盖模型： ①淀积速率正比于气体分子到达表 面的角度(到达角)； ②特殊位置的淀积机理： a直接入射；b再发射；c表面迁移。 保形覆盖的关键： ①表面迁移：与气体分子黏滞系数成反比； ②再发射
6.2 CVD系统
6.2.1 气体源 例如CVD二氧化硅：气态源SiH4（与O2或N2O反应）； 液态源TEOS（正硅酸四乙酯分解）. 液态源的优势： ①安全：气压小，不易泄露； ②淀积的薄膜特性好 液态源的输运： ①冒泡法：由N2、H2、Ar2气体携带； ②加热法：直接加热液态源,使之气化； ③直接注入法：液态源先注入到气化室，气化后直接送入 反应室。
两个结论： a.G与Cg(无稀释气体）或Y（有稀释气体）成正比； b.当Cg或Y为常数时，G由ks 、hg中较小者决定： hg >> ks，G=（CTksY)/N1 ，反应控制； hg << ks，G=（CThgY)/N1 ，扩散控制；
6.1 CVD模型
影响淀积速率的因素 ①主气体流速Um ∵ G=（CThgY)/N1 （扩散控制）, F1=Dg(Cg-Cs)/δs (菲克第一定律) D g 3D g hg=Dg/δs= Re (F1前后两式比较所得) 2L Re= ρUL /μ，U≤0.99Um， ∴结论：扩散控制的G与Um1/2成正比 提高G的措施： a.降低δs：缩小基座的长度L； b.增加Um：但Um增大到一定值后→ hg >> ks→转为反应控制→G饱和。
Chap.6 化学气相淀积
度，增加缺陷。
天津工业大学 集成电路工艺原理
边界层理论
黏滞性流动；泊松流 边界层（附面层、滞流层） 概念 边界层厚度：
( x) x / U
气流 平流层 边界层 X=0 U X=L
2 L /( 3 Re )
Re= ρUL / μ
y
? (x ) dx L
x
天津工业大学 集成电路工艺原理
WF6与H2反应淀积体相钨
回刻钨膜以及附着层和接触层
天津工业大学 集成电路工艺原理
天津工业大学 集成电路工艺原理
小结
CVD的基本概念及应用
CVD的基本过程（5步）及边界层的概念
Grove模型，两种控制过程，影响CVD淀积速率的因素 （温度、反应物浓度）
CVD系统的构成，各种源及加热方式
常见的三种CVD系统的特点（APCVD，LPCVD， PECVD）
CVD二氧化硅的方法和特点
CVD多晶硅和氮化硅的方法和特点 CVD金属的应用及钨的淀积方法
天津工业大学 集成电路工艺原理
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CVD反应室热源
CVD反应室热源：
热壁式：气流稳定
冷壁式：侧壁淀积少，降低了颗粒剥离的污染，减少 了反应剂的损耗
加热方式：
电阻直接加热 电感加热或高能辐射灯加热
天津工业大学 集成电路工艺原理
常用的几种CVD系统
APCVD系统（Atmospheric Pressure CVD）
主气流区 反应室
气流入口
边界层
气流出口 硅片 基座及加热装置
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能用于CVD的化学反应必须满足的条件
淀积温度下，反应剂必须具备足够高的蒸气压； 除淀积物外，反应的其他产物必须是挥发性的；
第六章化学气相淀积CVD课件
A.低温气相化学淀积<500℃: 1). 硅烷为源的低温CVD SiO2:
LPCVD ：250~450 ℃
SiH4(气)＋O2 (气) →SiO2(固)＋2H2 (气)
PECVD： 200~400 ℃
SiH4↑＋2N2O↑→SiO2(固)＋2H2↑＋2N2↑ 温度、压力、反应剂浓度、掺杂及反应腔
形状都影响淀积速度。 (200~500nm/min)
产生影响 CVD不允许化学反应的气态副产物进入薄膜 化学反应应该发生在被加热的衬底表面
6.2 CVD系统
常压化学气相淀积APCVD 低压化学气相淀积LPCVD 等离子体辅助化学气相淀积
常压化学气相淀积APCVD
最早使用的CVD系统，早期是用来淀积氧化 层和生长硅外延层，现今仍在使用。
反应方程式：SiH4 → Si+2H2 550~650℃ 由N2或Ar携带SiH4 20％＋ N2 80％
淀积速率：100~200Å/min
6.3 .4多晶硅的掺杂
扩散掺杂 离子注入掺杂 原位掺杂
扩散掺杂
在淀积完成后，在较高温度（900-1000℃）下 进行
优点：
获得较低的电阻率 因扩散的温度高可以一步完成掺杂和退火两个工艺
PECVD优点
低的工艺温度（250-450℃） 淀积的膜对衬底有优良的粘附能力 高的淀积速率 少的针孔和空洞，高的膜密度 适用于布线隔离
Si3N4: SiH2Cl2 +NH3 PSG: SiH4 +PH3 +O2
高密度等离子体化学气相淀积 HDPCVD
这种方法在20世纪90年代中期被广泛采用 的，其等离子体在低压下以高密度混合气 体的形式直接接触到反应腔中硅片的表面
LPCVD ：250~450 ℃
SiH4(气)＋O2 (气) →SiO2(固)＋2H2 (气)
PECVD： 200~400 ℃
SiH4↑＋2N2O↑→SiO2(固)＋2H2↑＋2N2↑ 温度、压力、反应剂浓度、掺杂及反应腔
形状都影响淀积速度。 (200~500nm/min)
产生影响 CVD不允许化学反应的气态副产物进入薄膜 化学反应应该发生在被加热的衬底表面
6.2 CVD系统
常压化学气相淀积APCVD 低压化学气相淀积LPCVD 等离子体辅助化学气相淀积
常压化学气相淀积APCVD
最早使用的CVD系统，早期是用来淀积氧化 层和生长硅外延层，现今仍在使用。
反应方程式：SiH4 → Si+2H2 550~650℃ 由N2或Ar携带SiH4 20％＋ N2 80％
淀积速率：100~200Å/min
6.3 .4多晶硅的掺杂
扩散掺杂 离子注入掺杂 原位掺杂
扩散掺杂
在淀积完成后，在较高温度（900-1000℃）下 进行
优点：
获得较低的电阻率 因扩散的温度高可以一步完成掺杂和退火两个工艺
PECVD优点
低的工艺温度（250-450℃） 淀积的膜对衬底有优良的粘附能力 高的淀积速率 少的针孔和空洞，高的膜密度 适用于布线隔离
Si3N4: SiH2Cl2 +NH3 PSG: SiH4 +PH3 +O2
高密度等离子体化学气相淀积 HDPCVD
这种方法在20世纪90年代中期被广泛采用 的，其等离子体在低压下以高密度混合气 体的形式直接接触到反应腔中硅片的表面
第六章化学气相沉积.ppt
如果用N1表示形成一个单位体积薄膜所需要的原子数量(原子/cm3)，在稳态情 况下，F＝Fl＝F2，薄膜淀积速率G就可表示为
G F kshg Cg N1 ks hg N1
在多数CVD过程中，反应剂被惰性气体稀释，气体中反应剂的浓度Cg定义为 Cg YCT
其中，Y是气相中反应剂的摩尔百分比，而CT是单位体积中气体分子数，得 到Grove模型的薄膜淀积速率的一般表达式
边界层：气流速度受到扰动并按抛物线型变化，同时还存在反应剂浓度梯 度的薄层，称为边界层、附面层、滞流层。
边界层厚度δ(x)：定义为从速度为零的硅片表 面到气流速度为0.99 Um的区域厚度。
δ(x)与距离x之间的关系可以表示为
1
δ(x)
μx ρU
2
其中，μ是气体的黏滞系数，ρ为气体的密度，
图中的虚线是气流速度U达到主气流速度Um的 99％的连线，也就是边界层的边界位置。
设L为基片的长度，边界层的平均厚度可以表示为
1
L
(x)dx
2L(
1
)2
L0
3 UL
或者 2L
ห้องสมุดไป่ตู้3 Re
其中
Re UL
Re为气体的雷诺数，无量纲，它表示流体运动中惯性效应与黏滞效应的比。
两种极限情况：
①当hg>>ks时，Cs趋向于Cg，从主气流输运到硅片表面的反应剂数量大于在 该温度下表面化学反应需要的数量，淀积速率受表面化学反应速率控制。
②当hg<<ks时， Cs趋向于0，表面化学反应所需要的反应剂数量大于在该温 度下由主气流输运到衬底表面的数量，淀积速率受质量输运速率控制。
G F kshg Cg N1 ks hg N1
在多数CVD过程中，反应剂被惰性气体稀释，气体中反应剂的浓度Cg定义为 Cg YCT
其中，Y是气相中反应剂的摩尔百分比，而CT是单位体积中气体分子数，得 到Grove模型的薄膜淀积速率的一般表达式
边界层：气流速度受到扰动并按抛物线型变化，同时还存在反应剂浓度梯 度的薄层，称为边界层、附面层、滞流层。
边界层厚度δ(x)：定义为从速度为零的硅片表 面到气流速度为0.99 Um的区域厚度。
δ(x)与距离x之间的关系可以表示为
1
δ(x)
μx ρU
2
其中，μ是气体的黏滞系数，ρ为气体的密度，
图中的虚线是气流速度U达到主气流速度Um的 99％的连线，也就是边界层的边界位置。
设L为基片的长度，边界层的平均厚度可以表示为
1
L
(x)dx
2L(
1
)2
L0
3 UL
或者 2L
ห้องสมุดไป่ตู้3 Re
其中
Re UL
Re为气体的雷诺数，无量纲，它表示流体运动中惯性效应与黏滞效应的比。
两种极限情况：
①当hg>>ks时，Cs趋向于Cg，从主气流输运到硅片表面的反应剂数量大于在 该温度下表面化学反应需要的数量，淀积速率受表面化学反应速率控制。
②当hg<<ks时， Cs趋向于0，表面化学反应所需要的反应剂数量大于在该温 度下由主气流输运到衬底表面的数量，淀积速率受质量输运速率控制。
化学气相沉积法CVD
化学气相沉积(CVD)是半导体工业中应用最为广泛的用来沉积多种材料的技术，包括大范围的绝缘材料，大多数金属材料和金属合金材料。
从理论上来说，它是很简单的：两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到晶片表面上。
淀积氮化硅膜(Si3N4)就是一个很好的例子，它是由硅烷和氮反应形成的。
概述反应室中的反应是很复杂的，有很多必须考虑的因素，沉积参数的变化范围是很宽的：反应室内的压力、晶片的温度、气体的流动速率、气体通过晶片的路程(如图所示)、气体的化学成份、一种气体相对于另一种气体的比率、反应的中间产品起的作用、以及是否需要其它反应室外的外部能量来源加速或诱发想得到的反应等。
额外能量来源诸如等离子体能量，当然会产生一整套新变数，如离子与中性气流的比率，离子能和晶片上的射频偏压等。
然后，考虑沉积薄膜中的变数：如在整个晶片内厚度的均匀性和在图形上的覆盖特性(后者指跨图形台阶的覆盖)，薄膜的化学配比(化学成份和分布状态)，结晶晶向和缺陷密度等。
当然，沉积速率也是一个重要的因素，因为它决定着反应室的产出量，高的沉积速率常常要和薄膜的高质量折中考虑。
反应生成的膜不仅会沉积在晶片上，也会沉积在反应室的其他部件上，对反应室进行清洗的次数和彻底程度也是很重要的。
化学家和物理学家花了很多时间来考虑怎样才能得到高质量的沉积薄膜。
他们已得到的结论认为：在晶片表面的化学反应首先应是形成“成核点”，然后从这些“成核点”处生长得到薄膜，这样淀积出来的薄膜质量较好。
另一种结论认为，在反应室内的某处形成反应的中间产物，这一中间产物滴落在晶片上后再从这一中间产物上淀积成薄膜，这种薄膜常常是一种劣质薄膜。
化学气相沉积法是传统的制备薄膜的技术，其原理是利用气态的先驱反应物，通过原子、分子间化学反应，使得气态前驱体中的某些成分分解，而在基体上形成薄膜。
化学气相沉积包括常压化学气相沉积、等离子体辅助化学沉积、激光辅助化学沉积、金属有机化合物沉积等。
第六章化学气相淀积CVD
厚度的均匀性
薄膜厚度要求均匀性，材料的电阻会随膜厚度的 变化而变化，同时膜层越薄，就会有更多的缺陷，如 针孔，这会导致膜本身的机械强度降低，因此我们希 望薄膜有好的表面平坦度来尽可能减小台阶和缝隙。
高纯度和高密度
高纯度的膜意味着膜中没有那些会影响膜质量的 化学元素或者原子。要避免沾污物和颗粒。 膜的密度也是膜质量的重要指标，它显示了膜层中针 孔和空洞的多少。
原位掺杂
杂质原子在薄膜淀积的同时被结合到薄膜 中，一步完成薄膜淀积和掺杂 薄膜厚度、掺杂的均匀性淀积速度的控制 复杂
6.4 CVD SiO2
1.SiO2的用途
淀积
淀积
•非掺杂SiO2: 用于离子注入或扩散的掩蔽膜， 多层金属化层之间的绝缘，增加场区氧化层之 间的厚度。 •掺杂SiO2: 用于器件钝化，磷硅玻璃回流，掺 杂扩散源,与非掺杂SiO2结合作为多层金属化层 之间的绝缘层。
采用一条带或传输装置来传送硅片，通过流 动在反应器中部的反应气体。
应用:用于SiO2的淀积和掺杂的氧化 硅(PSG、BSG等)
SiH4+O2=SiO2 +H2O
100mm：10片，125mm:8片 Time:15min Temp:380～450℃6℃ 厚度均匀：< 5％
APCVD缺点
淀积温度℃ 平均晶粒直径(nm) 600 55 635 62 650 72 675 74 700 78 725 86
6.3 .2多晶硅的化学气相淀积
多晶硅的化学气相淀积采用LPCVD，因为 LPCVD淀积的薄膜均匀性好、高纯度等优点。
反应方程式：SiH4 → Si+2H2 550~650℃ 由N2或Ar携带SiH4 20％＋ N2 80％ 淀积速率：100~200Å/min
薄膜厚度要求均匀性，材料的电阻会随膜厚度的 变化而变化，同时膜层越薄，就会有更多的缺陷，如 针孔，这会导致膜本身的机械强度降低，因此我们希 望薄膜有好的表面平坦度来尽可能减小台阶和缝隙。
高纯度和高密度
高纯度的膜意味着膜中没有那些会影响膜质量的 化学元素或者原子。要避免沾污物和颗粒。 膜的密度也是膜质量的重要指标，它显示了膜层中针 孔和空洞的多少。
原位掺杂
杂质原子在薄膜淀积的同时被结合到薄膜 中，一步完成薄膜淀积和掺杂 薄膜厚度、掺杂的均匀性淀积速度的控制 复杂
6.4 CVD SiO2
1.SiO2的用途
淀积
淀积
•非掺杂SiO2: 用于离子注入或扩散的掩蔽膜， 多层金属化层之间的绝缘，增加场区氧化层之 间的厚度。 •掺杂SiO2: 用于器件钝化，磷硅玻璃回流，掺 杂扩散源,与非掺杂SiO2结合作为多层金属化层 之间的绝缘层。
采用一条带或传输装置来传送硅片，通过流 动在反应器中部的反应气体。
应用:用于SiO2的淀积和掺杂的氧化 硅(PSG、BSG等)
SiH4+O2=SiO2 +H2O
100mm：10片，125mm:8片 Time:15min Temp:380～450℃6℃ 厚度均匀：< 5％
APCVD缺点
淀积温度℃ 平均晶粒直径(nm) 600 55 635 62 650 72 675 74 700 78 725 86
6.3 .2多晶硅的化学气相淀积
多晶硅的化学气相淀积采用LPCVD，因为 LPCVD淀积的薄膜均匀性好、高纯度等优点。
反应方程式：SiH4 → Si+2H2 550~650℃ 由N2或Ar携带SiH4 20％＋ N2 80％ 淀积速率：100~200Å/min
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低浓度区域，薄膜生长速率随Cg增加而加快。 2.在Cg或Y为常数时，薄膜淀积速率由hg和ks中较小的一个
决定。 hg﹥﹥ks G=（CTksY）/N1 hg﹤﹤ks G=（CThsgY）/ N1
2020/3/28
9
淀积速率与几个参数的关系：
1.淀积速率与温度的关系 如图6.6
①低温情况下，表面化学反应速率控制
3.形成机制：图6.3所示
定义从气流遇到平板边界时为坐标原点，则有 δ(x)=（μx/ρU）1/2
μ-气体的黏滞系数。ρ-气体的密度
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5
边界层的平均厚度
δ=
1 L
∫0Lδ(x)dx
2 =3
L(ρμUL)1/2
或
δ= 2L/(3 Re)
其中
Re=ρUL/μ
Re—气体的雷诺数，表示流体运动中惯性效应与黏 滞效应的比。无量纲数。
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11
总结
Grove模型是一个简化的模型： 忽略了1.反应产物的流速；
2.温度梯度对气相物质输运的影响； 认为 3.反应速度线性依赖于表面浓度。 但成功预测了：
薄膜淀积过程中的两个区域（物质输运速率 限制区域和表面反应控制限制区域），同时也提 供了从淀积速率数据中对hg和ks 值的有效估计。
Re﹤2000，气流为平流型—反应室中沿各表面附近 的气体流速足够慢。
Re﹥2000，为湍流。
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6
6.1.3 Grove模型
CVD过程主要受两步工艺过程控制： ①气相输运过程；②表面化学反应过程。 Grove模型认为控制薄膜淀积速率的两个重要环节： ①反应剂在边界层的输运过程； ②反应剂在衬底表面上的化学反应过程。 Grove模型Grove模型的基本原理 图6.4
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6.2 化学气相淀积系统
①气态源或液态源 ②气体输入管道 ③气体流量控制 ④反应室 ⑤基座加热及控制系统 ⑥温度控制及测量系统
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6.2.1 CVD的气体源
1.气态源：已被取代。 2.液态源：更安全（但氯化物除外） 输送方式：冒泡法，加热液态源，液态源直接注
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1
CVD工艺特点：
（1）CVD成膜温度远低于体材料的熔点或软点。 因此减轻了衬底片的热形变，减少了玷污，抑制 了缺陷生成; 设备简单，重复性好； （2）薄膜的成分精确可控、配比范围大； （3）淀积速率一般高于PVD（物理气相淀积，如 蒸发、溅射等）；厚度范围广，由几百埃至数毫 米。且能大量生产； （4）淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性好。气流 泊ຫໍສະໝຸດ 流沿主气流方向 没有速度梯度
存在很大的 存在反应剂 速度梯度 的浓度梯度
流速为抛物
线型变化
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4
边界层
1.定义：指速度受到扰动并按抛物线型变化、同时 还存在反应剂浓度梯度的薄层。也称为附面层、 滞流层等。
2.厚度δ(x)：从速度为零的硅片表面到气流速度为 0.99Um时的区域厚度。
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7
气体 Cg
薄膜
F1=hg(Cg-Cs) hg-气相质量输运系数
Cs
F1
F2
F2=ksCs ks-表面化学反应速率常数
F=F1=F2
图6.4 Grove模型 F-单位时间内通过单位面积的原子或分子数
Cs=
Cg 1+ks/hg
（原子或分子/cm2sec）
F1-主气流到衬底表面的反应剂流密度
第六章 化学气相淀积
化学气相淀积定义：
指使一种或数种物质的气体，以某种方式激活后， 在衬底发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的 生长技术。其英文原名为 “Chemical Vapour Deposition”，简称为 “CVD”。 本章主要内容： CVD薄膜的动力学模型、常用系 统及制备常用薄膜的工艺。
2020/3/28
2
6.1 CVD模型
6.1.1 CVD的基本过程 图6.1 1.主要步骤 反应剂气体→反应室内（主气流区） →通过边界层 到达衬底表面（扩散方式） →成为吸附原子→在衬 底表面发生化学反应，淀积成薄膜。 2.满足条件
在淀积温度下，反应剂必须具备足够高蒸汽压。 除淀积物外，反应的其他产物必须是挥发性的。 淀积物具有足够低的蒸汽压。 薄膜淀积所用时间尽量短。 淀积温度足够低 化学反应的气态副产物不能进入薄膜中。 化学反应发生在被加热的衬底表面。
由
ks= k0e-EA/Kt
淀积速率对温度的变化非常敏感。随温度的升高而成指数
增加。
②高温情况下，质量输运控制
hg依赖于气相参数，如气体流速和气体成份等。
其输运过程通过气相扩散完成。
扩散速度正比于扩散系数Dg及边界层内浓度梯度，
Dg∝T1.5~2.0
淀积速率Dg基本不随温度变化而变化。
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2.淀积速率与气流速率的关系 如图6.7 条件：质量输运速率控制 根据菲克第一定律和式6.5推导，得到
hg=Dg/δg
hgL Dg
=
3 Re 2
气流速率﹤1.0L/min，淀积速率与主气流速度Um的 平方根成正比。↑气流速率，可以↑淀积速率。 气流速率持续↑，淀积速率达到一个极大值，与气 流速率无关。 气流速率大到一定程度，淀积速率转受表面化学反 应速率控制，且与温度遵循指数关系。
F2-反应剂在表面反应后淀积成固态薄膜的的流密度
薄膜淀积过程存在两种极限情况：
①hg﹥﹥ks， Cs趋向于Cg，淀积速率受表面化学反应速率控制。 反应剂数量：主气流输运到硅片表面的﹥表面化学反应所需
要的
② hg﹤﹤ks， Cs趋于0，淀积速率受质量输运速率控制。反应 剂数量：表面化学反应所需要的﹥主气流输运到硅片表面的
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3. CVD的激活能来源：热能、光能、等离子体、激 光等。
6.1.2 边界层理论
紧贴处 气流速度=0 硅片表面附近存在气流
硅片表面 或侧壁
有一定 气流速度=Um 速度受到扰动的薄层 距离处 （主气流速度） 气流速度 反应剂
边界层
气体的黏滞性 存在摩擦力
变化很大
浓度↓
垂直气流方向
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N1-单位体积薄膜所需要的原子数量（原子/cm3）
薄膜淀积速率G=
F1 N1
=
kshg ks+hg
Cg N1
没有使用稀释气体
=
kshg ks+hg
CT N1
Y
使用稀释气体
结论： 图6.5
1.淀积速率与下面两个量中的一个成正比：
①反应剂的浓度Cg；（没有使用稀释气体时适用） ②在气相反应中反应剂的摩尔百分比Y。（使用稀释气体）